Barreras
14 de agosto de 2020
Barreras

Recomendación del profesor Abbott para proteger el café verde.

Las células no son solo bolsas de agua; son soluciones muy complejas y concentradas que contienen moléculas diseñado para mantener proteínas y nucleótidos en forma y tamaño controlados. Si los deshidrata sin cuidado, esto puede causar estragos. Pero las células de las semillas, al igual que las de los tardígrados (en un extremo) o los animales en hibernación (en un extremo menor), están diseñadas para apagarse a sí mismas de manera controlada, de modo que tengan una actividad muy baja (hibernación) o se apaguen por completo. (tardígrados). Una forma de hacer esto en el laboratorio es agregar un azúcar llamado trehalosa. Nunca cristaliza (a diferencia de la sacarosa), por lo que nunca daña las células. Simplemente forma un vidrio resistente que congela todo en su estado estable, listo para volver a la acción cuando se agrega agua suavemente.

Entonces, las semillas tienen una actividad entre cero y muy baja. Para transportarlos, debe mantener O2 porque eso generalmente puede reaccionar con cosas biológicas. En una celda activa, el daño oxidativo se limpia automáticamente, pero esa no es una opción cuando las cosas están apagadas. De manera similar, no desea que llegue agua cuando el resto del sistema no está preparado para la acción (por ejemplo, no hay suficiente O2 o CO2 para sobrevivir) porque las proteínas, etc., pueden comenzar a moverse, pero sin el flujo de los químicos necesarios para funcionar correctamente.

Una bolsa con baja O2 y donde el agua no puede escapar (no queremos deshidratarnos más allá de lo que la célula ha hecho por la semilla) ni entrar va a mantener las cosas bien, esencialmente para siempre.

 

Mantener el oxígeno y el agua fuera de una bolsa de café 

Aquí hay una tarea aparentemente simple: tiene café en una bolsa y necesita asegurarse de que durante el almacenamiento y el envío no se filtre oxígeno o agua en el contenido con la posibilidad de dañar el sabor y la textura. Debido a que desea ser ecológico, debe hacerlo con la mínima cantidad de material, preferiblemente totalmente reciclable, lo que comúnmente significa 'material único'.

Resulta que solo un material práctico y único puede hacer esto, y ese es el papel de aluminio. Siempre que pueda sellar los bordes de la lámina y pueda asegurarse de que la lámina no se rasgue, la barrera contra el agua y el O2 es esencialmente perfecto. Y el aluminio es totalmente reciclable. Pero por muchas razones, esta no es una solución que la mayoría de las personas consideraría aceptable.

Un polímero clorado como el PVDC es un material de barrera impresionantemente bueno por sí solo, pero el polímero no es conveniente para el envasado general y, en cualquier caso, los polímeros clorados están correctamente prohibidos para el uso ocasional por parte del consumidor debido a su terrible impacto en el reciclaje.

El PET, como en las botellas de bebidas gaseosas, es casi lo suficientemente bueno por sí solo, pero no es lo suficientemente bueno como material de bolsa delgada y es relativamente caro.

Algunos polímeros son una buena barrera para el agua pero no para el oxígeno, y algunos son al revés. Muchos son intermedios. En general, queremos buenas barreras para ambos, y ningún polímero puede lograrlo por sí solo. (Si pudiera, todos lo estaríamos usando).

¿Qué hay de hacer una mejor barrera a través de una película más gruesa? Supongamos que necesitáramos una barrera que fuera 2 veces mejor. Bien, podemos imaginarnos usando el doble de grosor. Pero para el empaque, generalmente necesitamos 100 veces mejor, ¡y no podemos usar 100 veces el grosor!

Entonces tenemos que ir a una barrera de múltiples capas, y nuestra decisión entonces es una equilibrio de prioridades.

 

Bolsas de polímeros múltiples

He aquí por qué necesitamos varias capas. Por muchas razones, el polietileno, PE, es un material de bolsa excelente y práctico. Es resistente, liviano y está hecho de manera eficiente a partir de materias primas comunes a gran escala.1 Es totalmente resistente al agua y, por lo tanto, es una gran solución práctica para cuando las bolsas pueden quedar expuestas a, digamos, algo de lluvia, y es una excelente barrera contra el vapor de agua. Aquí está el problema: es una barrera muy pobre para el oxígeno. Ni siquiera la película de embalaje más humilde utilizada en los supermercados se puede fabricar de manera realista con PE porque la velocidad a la que O2 pasa es inaceptablemente alto.

Da la casualidad de que otro polímero común llamado EVOH (alcohol polietilenvinílico) es una especie de mezcla de PE y el PVOH, el alcohol polivinílico de uso común. Tiene exactamente las propiedades opuestas al PE. Es una maravillosa O2 barrera, pero se daña fácilmente con el agua y es una barrera deficiente al vapor de agua.

Entonces, las películas para envasado de alimentos más comunes son un sándwich de PE: EVOH: PE. Sucede que el EVOH es bastante caro y, al mismo tiempo, incluso una capa superfina (2 µm) es una barrera excelente, por lo que si el PE exterior e interior tienen un grosor de 25 µm, entonces el EVOH tiene aproximadamente 4% de el total. (Volveremos a esta figura en breve).

Una capa de EVOH de 1 µm sería, en teoría, una capa excelente y su uso reduciría a la mitad el costo de la porción de EVOH y lo reduciría a 2% del total. Pero en la práctica, colocar una capa tan delgada de manera confiable es muy difícil y terminas con agujeros. Como veremos, los poros son un gran problema cuando se busca una buena barrera.

Tengo entendido que las bolsas como las que utiliza GrainPro tienen que ser de este tipo multicapa para proporcionar las propiedades prácticas de barrera. El número exacto, el tipo y el grosor de las capas es menos importante para nosotros que el principio general de las capas múltiples de que cada una soluciona un problema que las otras capas no pueden resolver. Si cualquier material de una sola capa pudiera hacer el trabajo y ser de bajo costo, reciclable, etc., puede estar seguro de que todos lo usarán, ya que agregar capas adicionales requiere equipos costosos y complejos.

 

Capas de Al, AlOx y SiOx

Como se mencionó anteriormente, el aluminio (Al) es un material de barrera perfecto. Si el papel de aluminio no es aceptable, la alternativa es una fina capa de aluminio. ¿Qué tan delgado? Solo, digamos, 20 nm, es decir, 100 veces menos material que en una bolsa de polímero multicapa. En términos de eficiencia en el uso de materiales, es difícil de superar, y en términos de producción en masa, la industria del Al es asombrosamente eficiente.

Debido a que a la gente no le gusta el aspecto de aluminio brillante y porque a menudo tenemos buenas razones para preferir envases transparentes, una alternativa es colocar capas de óxido de aluminio (AlOx) u óxido de silicio (SiOx). Estos no son materiales simples. Si se colocan correctamente, estas son barreras maravillosas. Pero hay un problema: si los haces demasiado delgados, no serán una buena barrera. Hazlos demasiado gruesos y luego también lo son frágil y agrietarse al manipular la película. Resulta que conseguir esto equilibrio correctamente y hacerlo a un costo atractivo es difícil, por lo que en el momento de escribir este artículo, EVOH sigue siendo la tecnología dominante, a pesar de que AlOx y SiOx son atractivos porque se requiere muy poco material.

El problema al que se enfrentan todos es el mismo que el de las barreras de EVOH: agujeros. Así que tenemos que explicar por qué los poros son un problema tan importante.

 

El problema del agujero de alfiler

La ciencia es más compleja de lo que ilustra este simple ejemplo, pero aún podemos obtener el principio. Tomemos una película con una barrera de EVOH, Al, AlOx o SiOx sin defectos que deje pasar 1 molécula de O2 por cm² durante un tiempo determinado, y esa tasa es aceptable para el paquete. Ahora, coloque un orificio en la barrera para que O2 puede pasar a 1 millón moléculas por cm² de agujero de alfiler. Si ese pequeño orificio tiene solo 20 µm de diámetro, entonces el área es ~ 3 millonésimas de cm², por lo que dejará 3 moléculas mediante. Entonces, solo un pequeño orificio ha aumentado nuestro oxígeno difusión tasa de 1 a 4, por lo que es inaceptable.

En el caso de EVOH, un recubrimiento más grueso tiende a reducir los poros, de ahí el grosor extra "inútil" que se utiliza en la mayoría de los envases. Para el aluminio, la situación es más complicada, pero en general, es necesaria una capa más gruesa de lo que teóricamente se requiere. Si pudiera hacer un aluminio sin agujeros para el empaque, la delgadez de la capa haría que se vea más oscuro que brillante. Y para AlOx y SiOx, aumentar el grosor afecta al problema de la fragilidad.

 

El problema del sellado

Se puede hacer un cálculo similar con los sellos de bolsas. Una falla aparentemente insignificante en el sellado puede permitir más O2 a través de la totalidad de la bolsa en sí. Esto no es mera teoría. He estado involucrado en problemas de deterioro de alimentos donde todos culparon al material de empaque por no ser lo suficientemente bueno, cuando resultó que el mantenimiento deficiente de una unidad de termosellado humilde era la causa principal de la entrada de oxígeno.

Sacar el aire de una bolsa y luego sellarla de manera efectiva es una tarea mucho más difícil de lo que la mayoría de la gente imagina. Quizás no sea tan difícil de hacer en una sola bolsa. Pero hacerlo día tras día, año tras año, requiere un sistema inteligente y confiable, que no es nada fácil de configurar.

 

Reciclaje

Supongamos que tenemos una forma de obtener todos nuestros el plastico bolsas de regreso a un centro de reciclaje. En la mayoría de los países esto simplemente no es factible, por lo que los debates sobre la reciclabilidad intrínseca de las bolsas son irrelevantes. El único debate es si van a un vertedero o al reciclaje térmico.2 - con fuertes pasiones expresadas a favor y en contra de cada lado. Este debate es muy diferente al del reciclaje de la mayor parte de el plastico envases, que son botellas de PE y PET, para las que la opción de reciclar es una obviedad.

Las aplicaciones industriales no tienen problemas para enviar grandes cantidades del mismo material con el que se fabrican los sacos GrainPro para su reciclaje. Por lo tanto, un tostador de café que reciba miles de bolsas tendrá mucha mala suerte si no existe una ruta de reciclaje para este material simple y relativamente limpio.

Las agencias reguladoras tienen que tomar decisiones difíciles. Si dicen, 'Solo los polímeros puros 100% pueden reciclarse', entonces básicamente no se reciclaría ninguno porque el material siempre contendrá algunos contaminantes, como la impresión necesaria en el paquete o residuos menores en el interior. Si dicen: "Permitiremos que se incluyan 5% de basura en el reciclaje", serán atacados por puristas y recibidos por realistas. En la práctica, se ha tenido en cuenta a los realistas y los bajos niveles de EVOH en envases multicapa se consideran aceptables para los polímeros reciclados. Nadie notaría nunca niveles bajos de AlOx o SiOx, y es incierto qué hacer con los 20 nm de aluminio: podría hacerse invisible por su rápido oxidación a AlOx.

 

Los residuos suelen ser peor que no reciclar

Podría decirse que una bolsa de granos de café que debe desecharse porque el oxígeno se filtró a través del empaque a través de un orificio o un sello deficiente es una pérdida mayor para el planeta que un poco de exceso de varias capas. el plastico. Y, dado que en muchas partes del mundo el reciclaje el plastico En cualquier caso, los bolsos no son prácticos ni ecológicos, sé un poco más amable con quienes hacen y usan los bolsos.

Siempre tenemos que tener cuidado con nuestras acusaciones sobre cuestiones medioambientales. Cuando se trata de preparar una taza de café, la parte de la cadena de suministro que produce más CO2 el daño al planeta somos nosotros, a partir de la energía necesaria para calentar el agua para preparar el café. Esto va en contra de todos nuestros instintos ecológicos: Ciertamente, es culpa de los fertilizantes o del transporte o de los tostadores o ... No, abrumadoramente, somos nosotros.

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Sobre el profesor Steven Abbott

Del profesor Steven Abbott recursos en línea gratuitos de aplicaciones y libros electrónicos son una opción para cualquiera que se tome en serio la ciencia de la extracción. Su extraordinaria carrera lo ha llevado por todo el mundo, con trabajos que han incluido trabajar con productores de banano en Filipinas, empresas de impresión en Colombia y una empresa de válvulas de bolsas de café en los EE. UU.

Abbott es un experto mundial en ciencia del secado y difusión. Ha trabajado durante muchos años en la industria del revestimiento y la impresión, especializándose en nanocoatings y nanoestructuras. Ahora trabaja como consultor independiente y divide su tiempo entre escribir aplicaciones gratuitas para formuladores, asesorar a la industria y dirigir su negocio de software técnico. Él maneja todo esto mientras posee una pasión por el buen café, en particular el método de preparación Ibrik. 

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